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低温用光学ハイドロフォンの開発(Development of Fiber-Optic Probe Hydrophone for Cryogenic Liquid)
超低温物理学研究室 大村裕輝
（学籍番号：M13SA004）
液体 4Heに大振幅の音波を入射すると異常な音響吸収が起きる。この現象は、ある閾圧以
上の振幅を持つ音波を入射した時に確率的に起きることから、キャビテーションに関連した現象であると考えられる[1]。すなわち、大振幅音波が作り出す周期的な負圧が蒸気の泡を発生し、その泡が音響エネルギー吸収するために起きていると考えられる。この現象を定量的に調べる為には、泡の発生に伴う圧力振動の乱れを観測すれば良い。それを観測するため「低温」「局所的」「広帯域」「圧力絶対値」全てを満足できる観測システムが必要である。私が注目した光ファイバを用いた光学式ハイドロフォン(FOPH)[2]は、異なる媒質の界面においてフレネル反射と呼ばれる光の反射が起きることを利用して屈折率をはかり、密度と圧力の絶対値を求める装置である。感度領域は光ファイバの先端径である数μm程度、応答周波数は室温のDC ～数MHzで、同周波数で感度が一定であるため静水圧で振動圧力の校正が可能であるという特徴がある。現状、先行研究のシステムは、室温水中の超音波衝撃波専用であるため、原理的には低温でも動作すると思われるが、感度、低周波特性に問題がある。そこで、私は低温でも動作する高感度な光学式ハイドロフォンの基礎技術を開発し、装置の基本性能を調べることにした。キャビテーション研究を行うためには、まず、DC~音響周波数帯で周波数依存性がなく、低温下でも性能が変化しないことで、最終的な目
標圧力分解能は 0.03barである。
本研究では、まず、飽和蒸気圧下でのHeの静的な密度の温度依存性に限定しての測定を行った(Fig１)。二つの分肢はそれぞれ気相と液相の密度に一致し、それぞれ臨界点に向かっていることも確認できた。しかし、その測定精度は約0.015 g/cm3 であった。この揺らぎは圧力にして換算すると約 10 bar に相当するもので、現実的にはありえない。
様々な計測の結果、この原因は光検出器の感度揺らぎに起因するものであることを突き止めた。その詳細と、今後の改善案については講演の中で述べる。
*e-mail: hiropy@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. 木村豊、2012 修士論文
2. Staudenraus, Ultrasonics 31, 267 (1993)

Fig 1 飽和蒸気圧下の 4He の密度スピン三重項 p 波超流動 3He における新奇近接効果(Novel Proximity Effect of Spin-triplet p-wave Superfluid 3He)
超低温物理学研究室 森岡 悠
（学籍番号：M13SA029）
液体 3He は 2.5 mK 以下の温度においてスピン三重項 p 波の Cooper 対を形成すること
で超流動転移する量子液体である。近年異方的な Cooper 対を持つ物質の界面において、バルクでは未だ観測されていない奇周波数の Cooper 対が出現するという理論が注目されている[1]。超流動 3He も例外ではなく、常流動 3He と超流動 3He との界面における奇周波数 Cooper 対の出現[2]と、それにともなった界面での帯磁率の増大[3,4]が理論的に予測されている。我々はこの新奇な現象の実験的な観測を目的として、空孔率
97.5%のエアロジェルを不純物として導入した界面を有する試料セルを用いて NMR 測定を行っている。
これまでに行われた実験によって界面における帯磁率の増大が観測されている[5]。
また、磁場勾配下での測定によりエアロジェル中液体 3He の超流動転移温度が界面に近づくほど低下するような空間に依存した転移温度が存在し、最低温度（T～0.2 Tc）においても界面近傍には超流動転移していない液体 3He が残ることが分かった。この原因の一つとして考えられるエアロジェルの不均一性を調べるために、pulsed NMR 法によるスピン拡散係数の測定によってエアロジェルの鎖間距離を測定した。これよりエアロジ
ェルの鎖間距離が界面近傍で短くなっていることが判明し、超流動転移温度の空間依存性はエアロジェル鎖間距離の空間変化に起因するものと考えられる。
さらに界面におけるスピン拡散係数が磁場勾配の方向によって異なっているようにみえる現象を観測した。これはバルクや界面から遠いエアロジェル内部とは異なる界面特有の現象である。本発表ではこの界面特有の現象を、磁場勾配によるスピンの流れを考慮することで議論する。

*e-mail: ymorioka@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. Y. Tanaka and A. A. Golubov, Phys. Rev. Lett., 98 037003 (2007).
2. S. Higashitani et al., JLTP 155 83 (2009).
3. Y. Nagato et al., J. Phys. Soc. Jpn. 78 123603 (2009).
4. S. Higashitani et al., Phys. Rev. Lett. 110 175301 (2013).
5. A. Fukui et al., JLTP 171 245 (2012).

超流動 4He 中の振動ワイヤーによる渦環放出の異方性(Anisotropic Emission of Quantized Vortex Ring Generated by Vibrating Wire in
Superfluid 4He)
超低温物理学研究室 若狭洋平
（学籍番号：M13SA033）
4He は、
飽和蒸気圧下にて 2.17K で Bose-Einstein 凝縮を起こし超流動相へと相転移する。

その際、位相欠陥として循環が量子化された量子渦が発生することが知られている。境界に付着している量子渦に対してある大きさ以上の超流動速度場を与えると、渦は不安定になり急激に成長を始め、量子乱流が生成され渦環が放出される[1]。我々は振動ワイヤーを用いて渦環の放出から検出までを測定した[2]。有限温度下で 4He は粘性を持つ常流動成分と、粘性を持たない超流動成分に分かれる。渦環は自己誘導速度 v で飛行するが、有限温度ではその渦芯と常流動成分が相互摩擦を起こすことにより縮んでいき消滅する。その時の渦環の初期直径 2R0 と飛行距離 l との関係は、温度によって決まる相互摩擦係数を用いて 2 R0=2l と表される。そのため 2 R0≥2l の渦環を検出している。これにより飛行してくる渦環の大きさを温度によって制御することが可能になる。我々は乱流生成エネルギーと温度を変えることで渦環放出の異方性を明らかにすることを目的としている。
そのためにまず我々は初期直径が 42m になるよう温度を固定し、その時の渦環の検出時間の乱流生成エネルギー依存性を調べた。使用するワイヤーは乱流生成ワイヤーに対して振動している方向と垂直下向きの方向に、それぞれ 0.83mm 離して設置した。その結果、乱流生成エネルギーを変化させた時の渦環の最短検出時間 t0 は図 1 のようになった。垂直方
向はほとんど変化していないが、振動方向は 500pW を境に乱流生成エネルギーを大きくすると t0 が短くなった。また乱流生成エネルギーが大きなときは両方向とも似た値に近づく。
これは振動方向と垂直方向での届きうる渦環の放出機構が異なるためだと考えられる。
最短検出時間t0 [s]最短検出時間t0 [s]図 1:振動ワイヤーによるに方
1

0.1

0

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100

150

200

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乱流生成エネルギー [pW]向への渦環放出を表す。(左図)10.1

垂直方向、(右図)振動方向の最短検出時間の乱流生成エネルギ
ー依存性。
0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

乱流生成エネルギー [pW]

参考文献：
1. R.Goto, et al. Phys. Rev. Lett 100 (2008) 045301
2. Y. Nago, A. Nishijima, H.Kubo, and H.Yano, et al. Phys. Rev. B 87 (2013) 024511.

P(Z2F0 HMTSF-TCNQ Rrk>w~h(Magnetic-Field-Induced Phases in the Quasi-One-Dimensional Conductor
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Sample : HMTSF-TCNQ#1307
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Cell 2 Pressure measurement by ruby fluorescence
Sample : HMTSF-TCNQ#131023-12
I = 100 µA
T=2K

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e-mail:tada@e.sci.osaka-cu.ac.jp
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1. K. Murata, K. Yokogawa, et al., J. Phys. Soc. Jpn. 79 (2010) 103702.
2. K. Murata, Y. Fukumoto, et al., Journal of Modern Phys.5 (2014) 673-679.

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分光技術を用いたポリマー薄膜ダイオード動作過程の解明(Spectroscopic Elucidation of Operation Processes in Polymer Thin Diodes)
光物性物理学研究室 石川沙樹
（学籍番号：M13SA003）
近年、有機半導体は太陽電池や LED などに応用されているが、それらの素子の動作には電気伝導が深く関係している。有機薄膜における電気伝導の特性が最も顕著に表れるダイオードにおいて、デバイスの性能、特に電流電圧特性を決定するのは、電極から有機層へのキャリア注入及び有機層中のキャリア輸送であり、電流電圧特性を説明するために、注入制限モデルや輸送制限モデルなどが提案されてきた。それぞれのモデルは、実際の素子の特性をある程度定性的に説明できるものである。しかし、電極と有機層界面のエネル
ギー障壁、有機層における個々の分子軌道の不均一さ及びトラップ準位など、注入及び輸送に影響を与える因子が多く、統一的かつ定量的に電気伝導機構を説明できた例はない。
そこで本研究では、交流方形波電圧印加と分光計測を組み合わせたデバイス変調分光法(DM)を導入することで、従来から重視されてきた電流電圧特性の情報とは独立的に、キャリア注入に関する知見を直接引き出す。DM と電流計測とを併用することで、有機薄膜素子
における電気伝導機構を説明することを目的とした。
試 料 は 、 デ バ イ ス 材 料 と し て 様 々 な 用 途 に 応 用 さ れ て い る
Poly(3-hexylthiophene)(P3HT)を用いた。デバイスは、ITO/MoO3/P3HT/(MoO3 or Al)構造
であり、それぞれに対して、DM と電流の電圧依存性を同時測定した。陰極として MoO3
及び Al を用いることで、陽極である MoO3 との仕事関数差に対応した電圧において、DM
信号の非線形な立ち上がりがみられた。その結果は、DM 信号がキャリア注入の観測を可能にすることを示すとともに、仕事関数差に対応したデバイスの内部電場の発生が、キャリア注入を決定することを示す。次に、適切な方形波の変調周波数をとることで、DM 信号から、注入キャリア量の電圧依存性を引き出すことに成功した。その結果、電流の増加に反して、注入キャリア量が減少する電圧領域があることが判明した。これは、DM 信号で観測するキャリアが、主としてトラップキャリアに由来することを意味している。以上の結果
から、電気伝導に関する次の結論が得られた。低電圧領域では、注入されたキャリアのほ
とんどがトラップ準位の充填にあてられる。中電圧領域では、電場によってトラップからキャリアが解放される。そして高電圧領域では、キャリアはトラップ準位の影響を受けず
直接キャリアバンドに注入され、伝導を担う。有機ダイオードの電気伝導特性は、以上のような多くの過程により決定されることが明らかになった。
*e-mail: saki@sci.osaka-cu.ac.jp

分光技術によるポリマーLED 動作の可視化とダイナミクスの解明(Visualization and Elucidation of Operation Dynamics in Polymer LEDs
Using Spectroscopic Techniques)
光物性物理学研究室 高橋崇寛*（学籍番号：M13SA015）
有機半導体を用いた有機 LED は、その柔軟性や高輝度などの特徴を活かし、従来の無機 LED では実現困難だったフレキシブルな発光デバイスなどへの応用が期待されている。
このような有機物による電界発光（Electroluminescence: EL）は、素子に注入された電子とホールが再結合し、生成した励起子がそのエネルギーを光として放出することで起こる。
一般的に励起子は、簡単なスピン統計則を仮定し、発光を与える Singlet（合成スピン
S=0）と非放射の Triplet（S=1）状態が 1:3 の確率で生成すると考えられている。しかしながら近年、生成確率がそのような統計に従わないことを示唆する報告もされており、励起子生成機構は明らかでないのが現状である。その主要因として、非放射の Triplet 励起子は通常、観測が困難なため、そのダイナミクスを直接的に評価できないことが挙げられる。
そこで本研究では、素子動作と分光技術を融合したデバイス変調（DM）分光法を用いて、素子動作時に生成する Triplet 励起子を高感度に観測する実験系を構築した。さらに、同時に観測した EL および電流を併せて評価することで、素子の動作過程を可視化し、励起子生成過程を明らかにすることを目指した。
自作した有機 LED で計測した DM スペクトルでは、キャリア信号及びその電圧応答から遅れる信号が 1.42 eV 付近をピークに観測された。この分光信号は、光誘起吸収において合成スピン S=1 であるという過去の報告[1]と、その失活寿命（~ms）及び印加電圧との関係から、Triplet 励起子に由来する吸収信号であることを特定した。さらに、この信号及び EL 強度の時間応答を同時に計測し、それらをレート方程式に基づいて解析した。その結果、Singlet 励起子の生成速度比が印加電圧に依存して増加し、それに伴って素子の変換効率も向上することがわかった。この実験結果は、励起子とキャリアの中間状態（キャリアペア）の電気双極子モーメントと、素子内部に作用する電場（~MV/cm）の相互作用を考慮した fitting 関数で再現できた。またこの効果は、量子化学計算に基づく過去の理論予
測[2]とも一致することがわかった。これらのことから、励起子生成過程における中間状態と内部電場の相互作用によって、Singlet 励起子の生成が促進されると結論付けた。
*e-mail: takahiro@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. X. Wei, et al., Phys. Rev. B 53, 2187(1996).
2. S. Yin et al., J. Phys. Chem. B 108, 9608 (2004).

色素増感太陽電池動作における分光モニタリングの実現と機構解明(Realization of Spectroscopic Monitoring and Elucidation of Operation Mechanism in
Dye-Sensitized Solar Cells)
光物性物理学研究室 中谷仁美
（学籍番号：M13SA021）
太陽電池は、原子力発電の削減を含めた近年のエネルギー問題解決に向け注目されている自然エネルギー発電システムの一つである。中でも、低コストで作製ができ、色素により色彩をもたせデザイン性のある太陽電池を可能にする色素増感太陽電池(DSC)は、次世代太陽電池として研究が進められている。一方で、耐久性と変換効率に課題があり、変換効率は実用化されているシリコン系太陽電池の 1/2 程度しかない。
その課題解決のためには、
DSC の動作機構の理解が不可欠である。その動作は、色素や酸化物半導体、さらには電解液と多く要素から成り立つため複雑であり、理解を深めるためには、キャリアレベルのミクロな観点からの研究が重要となる。一方で、これまでキャリアの生成・失活については、
過渡吸収分光法を中心とした分光研究が多く行われてきたが、実際の素子動作条件との関係について言及できた例はほとんどない。
本研究では、DSC を作製し光誘起吸収(PIA)分光法を主体とした研究を行った。ここで、励起光に連続光を用い、さらに電圧印加と組み合わせることで、実際の素子動作環境を模倣した実験を実施した。そして、各構成要素の分光信号を特定し、さまざまな電圧印加状
態での各信号の変化を評価することにより、動作過程のモニタリングを実現させ、動作機構を解明することを目的とした。
完成素子における PIA スペクトルは、多成分を含む複雑なスペクトルとなる。そこで、本研究では、完成素子のみならず、非素子化薄膜や、電解液を変えるなど、様々な試料について測定を行った。その結果、スペクトルにおける TiO2 キャリア・酸化色素・基板信号等の同定に成功した。その結果を利用して DSC の電流－電圧特性における光電流ロスの原因を追究した。定常電圧印加下での TiO2 キャリア信号の寿命を解析した結果、電圧印加により電流を担うキャリアの割合が減ることが分かった。さらに、短絡状態においても、電流に寄与せず再結合失活するキャリアが存在し、光電流のロスにつながっていることが分かった。これより、TiO2 から電極に移動せず蓄積するキャリア成分が存在すると結論付けた。
さらに、光電流の時間依存性から、連続光照射時の光電流減少を観測した。そして、その減少速度が色素再生の速度と一致することが分かった。これより、色素再生が遅いことに
より酸化色素が蓄積することで、光電流が減少していくことを明らかにした。

*e-mail: hitomi24@sci.osaka-cu.ac.jp

Stark 吸収分光による原子価間電荷移動遷移(IVCT 遷移)の検証(Verification of the Inter-Valence Charge Transfer (IVCT) Transition of Metal
Complexes by Stark Absorption Spectroscopy)
生体・構造物性物理学研究室

岡田唯史（学籍番号：M13SA005）
金属イオンとその周辺有機物ラジカルの相互作用は、光合成では Mn クラスターとチロシンラジカル，多くのパーオキシダーゼ等に見られる。このような現象をサレン配位型の金属錯体を用いてモデル化していくと、6500 cm 付近に極めて鋭い吸収を持つ化合物につきあたる[1]。この現象を理解する時に Robinと Day の提案する複核／多核金属錯体の混合原子価モデルが重要な役割を果た
す[2]。複核金属間には、相互作用の無い時、弱い相互作用の有る時、そして酸化状態に見分けの付かないほど相互作用が強い場合（電荷が完全に局在化している状態）がある。これらに対しての電荷移動吸収遷移は、classⅠ, Ⅱ, Ⅲの各々に対して特徴的な遷移を行う。この多中心金属モデルが一中心金属における配位子内の電荷分布に対しても同様なモデルとして適応できる可能性がある[3]。これが明らかになると、金属の介在する多くのラジカル反応に対してそのメカニズムを明らかにすることができる。そのために本研究では、電荷移動の検出に有効な Stark 吸収分光測定[4]を行うことで、配位子の対称性が高いサ
ンプル[Ni(Sal)]SbF において原子価間電荷移動遷移（IVCT 遷移）を実験的に検証することを目的とした。Stark スペクトルとそれに帰属する||の値が得られたことから、電荷移動遷移が起きたことが分かった。この結果から、
IVCT 遷移に関わる電荷の移動距離を見積もり、[Ni(Sal)[5]から得た遷移前後の電子分布と比較を行った。

]SbF の DFT 計算*e-mail: yuishi@sci.osaka-cu.ac.jp
参考文献：
1. L. Chiang, A. Kochem, O. Jarjayes, TJ. Dunn, H. Vezin, M. Sakaguchi, T. Ogura, M.
Orio, Y. Shimazaki, F. Thomas, T. Storr, Chem. Eur. J. 18(2012)14117‐14127.
2. M.B. Robin and P. Day, Adv. Inorg. Chem. Radiochem. 9(1967)247-422.
3. T. Storr, EC. Wasinger, RC. Pratt, TD. Stack, Angew. Chem. Int. Ed. 46 (2007)1-5.
4. 田宮 優大，平成 25 年度修士論文，大阪市立大学大学院理学研究科
5. T. Storr, P. Verma, Y. Shimazaki, EC. Wasinger, TD. Stack, Chem. Eur. J. 16 (2010)
8980-8983.

\ugkZi§~KÁßH§þÔ|ÐKó(Construction of Molecular Aggregates of Carotenoids
and Evaluation of Their Intermolecular Interaction)ÏwÁùÉ³ÉÎ©ÙÝ« åą©àÑć Ć ´áJ64F0\ugkZiL¦āK[jt^xX=0@VJSU÷[jt^xX_uumYtOû>UH4CA0¸ĂKÂçX·51îìĄJPV
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1. L. Premvardhan, L. Bordes, A. Beer, C. Büchel and B. Robert, J. Phys. Chem. 113 (2009)
12565-12574.
2. H. Hashimoto, D. Kiyohara, Y. Kamo, H. Komuta and Y. Mori, Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996)
281-289.
3. T. Itoh, K, Yano, Y. Inada and Y. Fukushima, J. Mater. Chem. 12 (2002) 3275-3277.

Stark 吸収分光を用いたコバルト２価
セミキノン型錯体における MLCT 遷移の評価
Evaluation of MLCT (Metal to Ligand Charge-Transfer) Transition in Co 2+
Semi-quinone Type Complexes by Stark Absorption Spectroscopy
生体・構造物性研究室 福田（学籍番号：M13SA026）

悠金属錯体は生体中でも多くみられ、金属と配位子間の電荷移動を研究することは重要
な生体酸化還元の解明につながると考えられている。人工光合成研究の分野において金属錯体の MLCT（Metal to Ligand Charge Transfer）状態は触媒作用に活用できると注目されてきた。金属と配位子間の電荷分離の量が MLCT 遷移の特性を決定する上で最も重要な要素であるが、定量的に実験データを解釈できるレベルまでの研究例は存在しない(1)。本研究では、電場変調吸収分光(Stark 分光)を用いて(2,3)、アントラセン官
能基を有した Co 錯体[Co(L)(Me3TPA)]PF6(4)の MLCT 遷移における基底状態と励起状
態間の双極子モーメントの変化（∆𝜇）の大きさを測定することに成功した。また TDDFT
計算から得られた遷移と電子配置から電荷分離を示す遷移である MLCT 遷移を理論的に決定した。Stark 分光と TDDFT 計算の結果を比較、考察した。

*e-mail: you-fuku@sci.osaka-cu.ac.jp
1
2
3

DH. Oh, SG. Boxer, J. Am. Chem. Soc 111 (1989) 1130-1131
W. Liptay, In E.C. Lin, editor, Excited States 1 (1974) 129-229, Academic press,
New York.
W. Liptay, R. Wortmann, H. Schaffrin, O. Burkhard, W. Reitinger, N. Detzer,
Chem. Phys 120 (1988) 429-438.

4

K. Katayama, M. Hirotsu,T. Storr, I. Kinoshita Y. Teki, Dalton Trans 43(2014) 13384

2 成分 Bose-Einstein 凝縮体の相分離過程におけるパーコレーション
Phase Ordering Percolation in Segregating Binary
Bose-Einstein Condensates
素励起物理学研究室
水野 佑充子（学籍番号M13SA028 ）パーコレーション理論は、ある要素が系の中をどのように浸透していくかという極めて普遍的な問題を扱うものである。それゆえその理論は、例えば森林火災の広がり方やフラクタ
ル構造をした油田、熱的相転移等 [1] といった様々な現象に適用することが出来る。本研究ではパーコレーションのもう一つの例として、2 成分 Bose-Einstein 凝縮体 (BEC) の量子流体力学への理論的な適用を提示する。
最近、実験技術やコンピュータの発達により、極低温で実現する原子気体 BEC の分野で非平衡ダイナミクスの実験・理論研究が活発になりつつある。そして複数の秩序変数で記述される多成分 BEC では、独特かつ多彩な非平衡現象の発現が期待される。
初期状態で一様に混ざり合っている 2 成分 BEC は、異種成分間の斥力相互作用がある閾値を超えると動的に不安定になり、相分離を起こす。その過程で形成されるドメインのパターンに注目し、パーコレーション理論を適用した。2 成分の原子の質量が等しい対称な系にて、相転移点を決定付けるために Binder の手法 [2] と同様な計算を行い、2 成分の粒子数の比率が0.5 よりやや大きい値で転移が起こる事を見出した (図 1(a))。 またその転移点で有限サイズ
スケーリングが成り立つことも確認した (図 1(b))。

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図 1: (a) 我々の系における Binder パラメータ。(b) 異なるサイズの系での浸透確率をスケーリングしたもの。

参考文献：

1. D. Stauffer and A. Aharony, Introduction to Percolation Theory, Revised 2nd. Ed.,
Taylor and Francis, London, (1994).
2. K. Binder, Z. Phys. B Condensed Matter 43, 119-140 (1981).

超流動 4He での量子渦のダイナミクス及び量子渦と固体微粒子の相互作用の数値解析的研究(Numerical Study of Dynamics of Quantized Vortices
and the Interaction between a Particle anda Quantized Vortex in Superfluid 4He)
素励起物理学研究室

山崎宣紘（学籍番号：M13SA030）
超流動 4He の量子渦の研究において、固体壁表面の凹凸が果たす役割について、長年議論が行われている。固体壁の凹凸が数 10～数 100[nm]程度であることに対して、量子渦の渦芯の大きさは 0.1[nm]程度である。それゆえ、固体壁の凹凸は量子渦のダイナミクスや量子渦上のケルビン波励起に大きな寄与をあたえると考えられる。しかし、数値計算では固体壁表面の凹凸を再現することは困難であり、再現できたとしても膨大な計算時間が必要となる。そのため、固体壁の凹凸効果についての理論的研究はほとんど存在しない。今日行われている一般的な数値計算では、固体壁表面を滑らかなものとして扱っている。その結果、数値計算結果と実験結果の間に、そのことが原因と見られる、矛盾が生じることがある。固体壁の凹凸の影響を再現できたなら、数値計算で実験をより正確に再現することは勿論、固体壁凹凸の効果を定量的に研究することも可能である。
本研究は、固体壁を数値計算で扱う方法の提案であり、その方法を用いて固体壁の凹凸が量子渦のダイナミクスに与える影響を調べた。我々は、固体壁の形状を再現するのではなく固体壁の凹凸効果を現象論的に捉えることで数値計算を行った。本研究は渦糸モデルを[1]用いているが、固体壁上の渦点のみ凹凸効果を組み込んだ運動方程式により、数値計算を行っている。凹凸効果を現象論的に捉える方法は、峯田らの考え方[2]に基づいている。その結果、我々は固体壁の凹凸効果による、量子渦ダイナミクスの変化を確認した。また、量子渦上に励起されたケルビン波も確認した。

参考文献：
1. K. W. Schwarz, Phys. Rev. B 31, 5782 (1985).
2. Y. Mineda, M. Tsubota, et al., Phys. Rev. B 87, 174508 (2013).

無衝突粒子から構成される無限に薄い同心球殻の２体系における相対論的重力相互作用について(On the relativistic gravitational interaction in the 2-body system of concentric sphericalshells composed of collisionless particles)
素粒子論研究室

米倉良一（学籍番号：M13SA032）
無衝突粒子系の進化を理解することは、無衝突粒子系である楕円銀河や、ダークマターが構成物質の大部分を占める銀河・銀河団の進化を理解するために重要である。しかし、N 体系を解析的に扱うことは難しい。そこで N 体シミュレーションが用いられる。Newton 理論に基づいた N 体系の研究は盛んに行われてきたが、相対論に基づいた研究は数少ない。
相対論的な無衝突粒子系の動的な進化の精密な数値解析を行なう為に、球対称性を仮定し、同心の無限に薄い球殻の多体系を考える。ここで、shell は無衝突粒子から構成されているものと仮定する。shell の内外は球対称真空であるので Schwartzshild 時空であり、shell の運動方程式は常微分方程式となる。したがって準解析的な取り扱いが可能になる。
多体系の進化を理解するための足掛かりとして、2 枚の shell の衝突過程の数値解析を行った。その結果を紹介する。Newton 理論においては、角運動量を持つ粒子で構成される shell は遠心力ポテンシャルのために一点に崩壊することがない。しかし相対論においては、shell 同士の衝突を繰り返してエネルギーを移動させあうことで、角運動量を持つ粒子で構成される shell が一点に崩壊して、ブラックホールが形成されることが明らかになった。崩壊が起こるために必要な条件についても説明する。

参考文献：
1. D.Ida, K. Nakao, Prog. Theor. Phys., 101, 989 (1999).
2. Shapiro, S. L. , Teukolsky, S. A. 1985ApJ...292L..41S
3. W. Israel, Nuovo Cimento B 44, 1 (1966); 463(E) (1967).

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Effects of 6Li break-up processes in high-energy 6Li elastic
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1. Y.Sakuragi, M.Yahiro, and M.Kamimura, Prog. Theor. Phys. 70, 1047 (1983)
2. Y.Sakuragi, Phys. Rev. C35, 2161 (1987)
3. T.Furumoto, Y.Sakuragi, and Y.Yamamoto, Phys. Rev. C82, 044612 (2010)
4. Y.Sakuragi, M.Yahiro, and M.Kamimura, Prog. Theor. Phys. Suppl. 89, 136 (1986)

スキルム模型によるデルタ共鳴の研究

A study of delta resonance in the Skyrme model
原子核理論研究室
鳥井田浩也
（学籍番号
M12SA017 ）我々はスキルム模型を用いてハドロンの性質を研究している。ハドロンとはクォークやグ
ルーオンといった基本粒子から構成される粒子群であり、陽子や中性子がその代表例である。
ハドロンの性質は QCD の枠内で記述されるはずであるが、ハドロンが存在する低エネルギー領域では QCD を用いて理論計算をする事は難しい。そこでハドロンを記述するための有効理論が求められており、スキルム模型はそうした有効理論の１つである。
スキルム模型とはメソン場からなるラグランジアンで核子を記述する模型である。この模型は、ヘッジホッグ配位というアイソスピンの向きを指定した古典場を仮定した安定なソリトン解をもつ。ソリトン解とは、平面波とは異なり、空間の一部に局在したような解である。
スキルム模型は Skyrme によって考案された模型である。Skyrme は非線形σ模型をベースにスキルム項を加え、安定なソリトン解を作り出す事に成功した。さらにこの模型で核子の性質を記述できる可能性を示した。これは古典論の範囲の研究であり、後にこの模型の量子論への拡張が試みられた。その一つに、Adkins,Nappi,Witten による集団座標の量子化がある。彼らはスピン・アイソスピン空間で場を回転させそれを表す座標を量子化する事により、スキルム模型においてスピン・アイソスピンの良い固有状態を作り出す事に成功した。
別の試みとして中間子場のゆらぎの量子化がある。ソリトン解の周りのゆらぎを量子化して、この量子場に対応する粒子（π中間子）の動的な性質を扱えるようにした。
今回の研究テーマはこの 2 つの量子化の効果を取り入れ発展させることである。以前まで
はそれらの効果を同時に取り扱うには至っておらず、別々に考察されていた。だが、それぞれの研究において一定の成果が上がり、この段階に至って 2 つの項を同時に取り扱うことが可能となった。
この 2 つの効果を取り入れ実際に計算してみると、回転とゆらぎが分離しない結合項がラグランジアンにあらわれる。それにより ∆ とπＮの間での行列要素が 0 でなくなり、∆ 粒子の崩壊モードが計算可能とななることがわかる。
∆ 粒子は本来不安定な粒子であるが Adkins らの研究においては安定なものとして現れていた。しかし、今回の発見によりスキルム模型において ∆ 粒子の崩壊の様子を記述できる事がわかった。
よって、散乱波を具体的に計算し、その行列要素を用いて、∆ 共鳴の崩壊幅を計算することを目指す。今回その結果を報告する。
参考文献：
1. S.Adkins,R.Nappi,E.Witten,Nucl.Phys.228(1983)552
2. T.H.R.Skyrme,Proc.Roy.Soc.Lond.A260(1961)εΩϧϜ໛‫ʹܕ‬ΑΔ πN ࢄཚৼ෯Ͱͷ P11 ෦෼೾ʹ͍ͭͯ

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1. T.H.R.Skyrme, Proc.Roy.Soc.Lond.A260(1961)
2. S.Adkins, R.Nappi, E.Witten, Nucl.Phys.228(1983)552
3. େࡕࢢཱେֶ দӜ࢘ मֶ࢜Ґ࿦จ ʮྔࢠԽ͞Εͨ Skyrme ໛‫ʹܕ‬ΑΔ πN ࢄཚʯ 2013 ೥Ґ૬͕ճస͢ΔӉ஦ͻ΋

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1. A.Vilenkin and E.P.S Shellard; ”Cosmic Strings and Other Topological Defects”; CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS(2000)
2. H.B.Nielsen and P.Olesen; ”VORTEX-LINE MODELS FOR DUAL STRINGS”;
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4. N.Sakai, H.Ishihara, K.Nakao; ”Q-tubes,Q-rings and Q-crusts” (2010)౳௕ม‫܈׵‬ͷ࡞༻ʹΑΔ‫ي‬ಓۭؒͷରশੑSymmetry of an orbit space of the isometry group action
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ࢀߟจ‫ݙ‬ɿ

1. R. Geroch, J. Math. Phys. 12, 918 (1971).
2. H.Ishihara and H.Kozaki, Phys. Rev. D 72, 061701 (2005).
3. H.Kozaki, T.Koike and H.Ishihara, Class. Quantum Grav. 27, 105006 (2010).

ήʔδɾώοάε౷Ұ໛‫͚͓ʹܕ‬ΔిऑରশੑͷഁΕ

Electroweak Symmetry Breaking in Gauge-Higgs Unification਺ཧ෺ཧ‫ࣨڀݚ‬
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1. Raman Sundrum, arXiv:hep-ph/0508134v1.
2. Masahiro Kubo, C.S.Lim and Hiroyuki Yamashita, arXiv:hep-ph/0111327v2.
3. Michael E. Peskin, Daniel V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory.

例外群 E8 に基づく素粒子の統一模型

Family Unification based on exceptional group E8
数理物理研究室廣岡 隆孝（学籍番号M12SA024 ）1970 年代ごろ、重力相互作用を除く基本的な相互作用 (電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作
用) を統一する理論として標準模型が確立され、この模型から導出される 3 つの力に関する殆ど全ての予言が実験によって確証されている。しかしながらこの模型にはいくつかの問題点があることが分かっており、例えば、暗黒物質の問題、重力の量子化、階層性問題、といった問題が未だ解決されずに残されている。また、小林 · 益川による CP 対称性の破れに関する理論からクォークの世代数の下限が 3 であることが説明されたが、実際には実験において 4 世代以上のクォークは観測されていない。
従って世代数は 3 であることが予測されるが、標準模型の枠組みではそれを説明できない。
世代数の問題と関連して、1980 年代に Buchmuller、Peccei と Yanagida は超対称非線形シグマ模型において対称性が自発的に破れた時に質量ゼロの粒子 (これを NG ボゾンという) とそのスーパーパートナーである擬 NG フェルミオンを、すでに実験で観測されているクォークと同定することを提案した [1]。更に、九後、柳田、入江、安井等により、クォークの 3 世代を導出する複数のモデルが考案された [2][3]。また最近では超弦理論や超重力理論との関連性も議論されている [4][5]。本研究ではこれらの先行研究をもとに 3 世代を説明する模型として特に E7 /SU (5) × U (1)3 (九後-柳田モデル) と

E8 /SO(10) × U (1)3 (柳田-安井モデル) を取り上げ、この模型におけるラグランジアンを求めるためにターゲット空間の Einstein 計量を調べた。理論の持つ対称性が自発的に破れた時に現れる NG ボゾンを記述する等質多様体 G/H は非線形シグマ模型におけるターゲット空間であるので、G 不変な Einstein
計量を計算することによってラグランジアンを決定することができる。しかし一方で、コンパクト多様体の Einstein 計量の存在問題は微分幾何学における重要問題として位置づけられており、計量の具体的構成は極めて難題である。ところが近年、等質多様体の Einstein 計量については研究が進んでおり [6]、その手法を用いてターゲット空間の Einstein 計量を調べた。
また模型の安定性を調べるために、ターゲット空間上の Ricci 流の停留点における Morse 指数を計算した。その結果、上記の E7 、E8 模型には不安定モードが存在することがわかった。
参考文献：

1. W.Buchmuller,S.T.Love,R.D.Peccei and T.Yanagida, Phys.Lett.115B,223(1982)
2. T.Kugo and T.Yanagida, Phys.Lett.134B.313(1984)
3. S.Irie and Y.Yasui, Z.Phys.C-Particles and Fields 29,123(1985)
4. Shun’ya Mizoguchi, JHEP 1407(2014)018, arXiv:hep-th/1403.7066
5. Taichiro Kugo, and Tsutomu T.Yanagida, Prog.Theor.Phys.124(2010)555-565, arXiv:hepth/1003.5985
6. Andreas Arvanitoyeorgos, Ioannis Chrysikos,Yusuke Sakane, Int.J.Math.24(2013), no.10.,
arXiv:math.DG/1207.2897

ミュー粒子・電子転換過程探索実験 DeeMe におけるアフタープロトン背景事象と単一事象感度の評価

Estimation of the after-proton background and single-event
sensitivity for the DeeMe experiment searching for muon-electron
conversions
高エネルギー物理学研究室
清水 宏祐（ 学籍番号
M13SA012 ）ミュー粒子・電子転換過程探索実験 DeeMe が J-PARC 物質生命科学実験施設 (MLF) のミュオン科
学実験施設 (MUSE) で計画されている。ミュー粒子・電子転換過程 (µ− +(A,Z)→e− +(A,Z)) は，レプトン・フレーバを破る反応であり，素粒子標準理論では禁止されている。しかし，標準理論を越えた多くの理論 (例えば超対称性大統一理論) では，現在の実験上限値の数桁下での存在が期待されている。DeeMe は，J-PARC RCS からの大強度高純度なパルス陽子ビームを活用することにより，
単一事象感度 10−14 の実験を実現しようとしている。これは現在の実験上限値を 1 桁以上上回る感度である。本研究では，下記 2 項目について報告する。

1. DeeMe では入射標的として，グラファイト製 (C) 回転標的で実験を開始し，後にシリコンカー
バイド (SiC) 製回転標的に置換することを提案している。モンテカルロ計算を用いて，それぞれの標的で 1 年間実験 (2×107 sec) を行った場合の実験感度の違いについて評価した。標的を置き換えることにより高い感度の実験結果が得られること，C 標的でも十分現在の実験上限
値を上回るなどの結果が得られた。
2. DeeMe の主なバックグラウンド 源として，正規の取り出しタイミングから遅れて取り出されてしまう陽子 (以後アフタープロトンと呼ぶ) が考えられている。このアフタープロトンに起因するバックグラウンドを極限まで少なくする必要がある。2011 年から 2013 年にかけてアフ
タープロトンの間接的な測定を行った。その結果，アフタープロトンバックグラウンド は十分小さいと期待されることが分かった。アフタープロトンの起源としては，RCS のコリメー
タやビームダ クト・残留ガスとの散乱により取り出しビームラインの直前で大エミッタンスを持った陽子を考えている。このような大エミッタンスを持った陽子の存在・分布に関しては未確認のため，シミュレーションを用いて評価を行った。
参考文献：

1. M.Aoki et al.，the Experimental Search for µ-e Conversion in Nuclear Field at Sensitivityof 10−14 with Pulsed Proton Beam from RCS (DeeMe)，J-PARC PAC Report，(2012)
2. 青木正治 et al.，J-PARC RCS からのパルス陽子ビームを活用したミューオン・電子転換
過程探索実験 (DeeMe)，高エネルギーニュース Volume31 Number3，pp.228-237，(2012)
3. 青木正治 et al.，高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 平成 26 年度ミュオン
共同利用 S 型実験課題申請書 「 RCS からのパルス陽子ビームを活用したミュオン電子転換過程の探索実験」

T2K 長基線ニュートリノ振動実験におけるニュートリノビームモニター INGRID を用いた
Off-axis 角 1.65 度でのニュートリノ反応の測定
Measurement of Neutrino Interactions at Off-axis Angle of
1.65◦ Using the Neutrino Beam Monitor INGRID for the T2K
Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment
高エネルギー物理学研究室
若松 慶樹（ 学籍番号
M13SA034 ）T2K 実験は東海―神岡間の長基線ニュートリノ振動観測実験であり、東海にある J-PARC から 295km 離れた神岡鉱山地下にあるスーパーカミオカンデにニュートリノビームを射出する。この実験の特徴の一つには 、off-axis 法を用いていることが挙げられ 、ビーム軸をスー
パーカミオカンデ方向から 2.5◦ ずらすことにより、ニュートリノ振動確率がスーパーカミオ
カンデにおいて最大となる sub-GeV 領域のニュートリノを抽出することができる。ニュート
リノビームのエネルギーピークは off-axis 角 (ビーム軸からの角度) によって変化し 、大きい
off-axis 角位置ではより低いエネルギーピークを持つ。ニュートリノビームの方向・安定性は、
J-PARC 敷地内で複数の検出器を用いてモニターしており、その一つがビーム軸上 (on-axis)に位置し 、ニュートリノを直接観測する飛跡検出器 INGRID である。INGRID は 14 台の独立したモジュールから成り、ニュートリノ生成標的から 280m 下流の地点にビーム中心から±5m の領域をカバーするように十字型に配置されている。INGRID の各モジュールは鉄とシンチレータトラッカーのサンド イッチ構造からなっており、ミューオンニュートリノビームの方向と強度を監視することが主な役割である。INGRID を用いたビームモニターにおいては、ニュートリノと鉄の反応断面積の正確な理解が不可欠であるが 、sub-GeV 領域に対応する既存の測定データは少なく不定性が大きい。そこで、我々は、on-axis ビームモニターに影響のない INGRID モジュールの 1 つを前置検出器ホール地下 2 階の off-axis 側に移動させることで大きな off-axis 角を実現し 、sub-GeV 領域の反応断面積の測定を計画した。今回移動したモジュールの off-axis 角は 1.65◦ となっており INGRID 内で最大の off-axis 角を持つ。また 2014 年夏から T2K 実験初の長期反ミューニュートリノビーム運転が開始された。
今回は、移設したモジュールで取得した反ミューニュートリノデータとモンテカルロシミュ
レーションの比較、反ミューニュートリノの反応断面積測定結果について発表する。
参考文献：

1. 南野彰宏, 大谷将士 et al. , T2K 実験ニュートリノビームモニター (INGRID) ,高エネルギーニュース Vol.29 No.1 p10 (2010) h«»x>ôÌ(Development of a GEM type neutron detector)eÚÙüÆÉÐÕ ÁÎjĀØËą   ā RV»x:?àøÙ=EGRV+MPd}08§FIHøKø=¦68Ya]X/3!cM`fít9ø÷Kë.0rK§H.:9ă½vĀ<&0Ą½vā>nÝK»x1H.:+9,H"í¡>ÚÙÆÉ>Ì=m&!ýåu¤9>ă½
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1. F.Sauli, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 386 531 (1997)
2. þº´#h«:Æê>ÏioÊ$RADIOISOTOPES,56,211-217 (2007)3.£¾{#GEM KÊ&5h«»x>ôÌ$¸~ösé±2010

重力波とニュートリノの同時観測による超新星爆発の動的発展の解明

Investigation of dynamical evolution of Supernova using
simultaneous observation of gravitational waves and neutrinos
重力波実験物理学研究室
浅野光洋
（学籍番号
M13SA001 ）重力波とは、アインシュタイン方程式の摂動近似の波動解であり、光速で伝搬する時空の歪みである。有力な重力波源の 1 つとして考えられている超新星爆発は元素合成や宇宙線起源を理解するための重要な鍵の 1 つである。これまでの超新星爆発の観測は主に光学で行われてきたが、光学観測では超新星の中心部の情報を直接知ることができない。そのため、超新星爆発の中心部分の情報を引き出し、爆発メカニズムを解明するためには、重力波やニュートリノの観測が必要である。
本研究では、重力波とニュートリノの同時観測によって、超新星爆発の動的発展の解明を目指した。そこで、先行研究の数値シミュレーション [1] による重力波とニュートリノを共に放出する超新星爆発の予想モデルを用いて、同時解析手法を検討した。同時解析手法の一例として、親星が回転しているかどうかの判断の可能性を論じている [2] 。
超新星爆発は、その途中でいくつかの過程を経ると予想されている。すなわち、prompt convection(即時対流) 、衝撃波の停滞と復活、SASI(Standing-Accretion-Shock-Instability) 等である。これらの段階において、特徴的な重力波やニュートリノの放出が期待される。本研究では、重力波とニュートリノをともに抽出 · 解析し、爆発過程を明らかにするのが目的である。図 1 は s80(親星の質量が 80M! ) モデル [1] の重力波波形 (距離 150pc) を時間-周波数 (TF) 平面に展開したもの (色はPSD[1/rHz] を表す) であり、ここから信号雑音比の時間発展を求める。また、図 2 は同じモデルの反電子ニュートリノ (ν̄e ) のルミノシティを TF 平面に展開したもの (色は PSD[1052 (erg/sec)/rHz]を表す) であり、0.5 秒以降の高周波への変動を見るために、ある周波数以上の割合を求める。このモデルでは、prompt convection や衝撃波の復活後に重力波とニュートリノの両方が同期して現れていることが確認できた。このように重力波とニュートリノの時間-周波数平面を見ることで、数値シミュレーションが予言するような超新星爆発の動的発展の特徴的な段階を抽出できる可能性を示
した。
4096

2.5x10-2

frequency[Hz]2.0x10-2
1000
1.5x10-2
1.0x10-2
5.0x10-3100
0.0x100

64
0

0.1

0.2

0.3

0.4 0.5time[s]

0.6

0.7

0.8

0.9

図 1: s80 モデル重力波 (距離 150pc) の TF 平面。 図 2: s80 モデル ν̄e のルミノシティの TF 平面。
参考文献：

1. Y Suwa et al.,arXiv:astro-ph/1406.6414.v1 24 June 2014
2. T Yokozawa et al.,arXiv:astro-ph/1410.2050v1 8 Oct 2014

KAGRA 信号取得系の量子化誤差と連続重力波探索における影響
Quantization errors in KAGRA signal acquisition system andtheir impacts on continuous gravitational wave search
重力波実験物理学研究室
鳥谷仁人
（学籍番号
M13SA020 ）電磁波天体として知られるパルサーは、もし非軸対称で回転しているとするならば、一般相対論の予言する時空のゆがみである重力波を放出する。パルサーからの重力波は、短い時間において周波数一定の正弦波とみなすことができる。そのため、連続重力波として観測されることが期待される。パルサーからの重力波振幅は検出器の雑音に比べると非常に小さい
が、長時間の積分により検出できる可能性がある。
現在、日本では KAGRA と呼ばれるレーザー干渉計型重力波検出器の建設が進行しており、2015 年には初観測がなされる予定である [1]。レーザー干渉計型重力波検出器においては、
干渉光の強度変化を電気信号に変換した後 ADC(Analog to Digital Converter) でデジタル化
して記録する。AD 変換においては量子化誤差が生じるが、重力波信号は干渉計雑音に比して非常に微弱なために、その探索において量子化誤差の影響は無視できない可能性がある。
そこで本研究では、パルサーからの連続重力波観測を想定して、KAGRA 信号取得系と量子化誤差の影響の評価を行った。KAGRA で用いられるホワイトニングフィルタ実機の周波数特性の測定を行い (図 1)、ADC で取得される信号を見積もり、ADC ダイナミックレンジ 140[dB]の範囲に収まることで期待通りの信号を取得できることを確認した。さらに、ADC で取得される信号をホワイトニングフィルタと ADC の 3 つの条件 [2] を用いて評価することで、ADC
量子化による SNR(Signal to Noise Ratio) の損失の最大値が !max = 7.2 × 10−2 となり、３つの条件を満たすことを確認した。また、KAGRA ノイズスペクトルに LAL(LIGO ScientificCollaboration Algorithm Library)[3] を用いて生成したパルサー信号を注入し、KAGRA 信
号取得系を仮定した上で信号検出が可能であるかを議論した。

参考文献：

1. KAGRA http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/
2. B. Allen and P. Brady LIGO-T970128-02-E
3. LIGO http://www.ligo.org/multimedia.php

図 1:KAGRA のホワイトニングフィルター